۲۱-اسفند-۱۳۸۷, ۱۷:۰۲:۴۸
تاريخ مسيريابي قدمتي برابر با تاريخ تمدن بشر دارد. برعكس بعضي از پرندگان و حيوانات كه بطور غريزي مسير خود را مشخص مي‌نمايند، انسانها داراي چنين غريزه‌اي نيستند و هميشه نياز به وسيله و ابزاري دارند كه مسير را برايشان مشخص نمايد.انسانهای اولیه این کار را با سنگ چین کردن و در نظر گرفتن علائم طبیعی انجام میدادند ولی این علائم به مرور زمان از بین می رفت .در اوائل قرن هفدهم کشورها فقطعرض جغرافیایی را می توانستند محاسبه کنند و این کار را با محاسبه زاویه ستارهشمالی با خط افق انجام می دادند .ولی به هیچ وجه نمی توانستند محاسبه کنند طولجغرافیایی را اندازه گیری کنند و به همین خاطر بسیاری از کشتیها در اثر ناوبریاشتباه گم می شدند و دیگر هرگز پیدا نمی شدند . در نهایت بشر با اختراع ساعت توانستطول جغرافیایی را محاسبه نماید . مبداء طول جغرافیایی طبق قرارداد بین کشورهاگرینویچ می باشد
Greenwich Mean Time یا همان GMT طبق این قرارداد کره زمین که 360 درجه می باشد و هر ساعت 15 درجه خواهد بود . برای مثال کشور ما ایران 03:30 + نسبت به گرینویچ جلو تر است . بشر هر روز به دنبال پیدا کردن راه جدیدی جهت ناوبریمطمئن تر بود . در دوران جنگ سرد و پس از حمله غافلگیرانه به Pearl harbor در 7دسامبر 1941 آمریکاییها احساس خطر کردند و با دلیل نگرانی از آغاز جنگ ناگهانی و ازدست دادن مستعمراتشان شروع به طراحی GPS نمودند.
GPS های اولیه بسیار پیچیدهبودند و کار با آنها بسیار سخت بود . به مرور زمان GPS ها بسیار پیشرفته تر شدندولی این دستگاه فقط در اختیار وزارت دفاع آمریکا بود و هیچ سازمانی دیگر قادر بهاستفاده از این تکنولوژی نبود . پس از سقوط هواپیمای 007 کره ای در روسیه به خاطرناوبری اشتباه ,در سال 1980 پرزيدنت ریگان اعلام کرد که استفاده از GPS برای عموم آزاد است.
كلمه Navigation از دو كلمه لاتين به معني كشتي (Ship) و حركت (Move) گرفته شده است و اساساً به معني پيدا نمودن مسير در دريا ميباشد. اما بعدها با شروع مسافرت در فضا و خشكي اين كلمه به مفهوم مسيريابي در هوا، خشكي و دريا بكار برده شد. مسيريابي اوليه توسط اجرام سماوي و قطب‌نماهاي مغناطيسي انجام مي‌گرديد، با پيشرفت عدم و تكنولوژي امروزه از سيستم‌هاي پيشرفته ماهوارهاي استفاده ميشود. ماهواره‌هاي مسيرياب قادر به مشخص نمودن طول و عرض جغرافيايي، ارتفاع از سطح دريا، سرعت، فاصله و زمان با دقت بسيار بالا ميباشند
NAVSTAR يكي از سيستم‌هاي ماهوارهاي مسيرياب ميباشد كه اين اطلاعات را در اختيار قرار مي‌دهد. اين سيستم دقتي در 15 متر را دارا ميباشد. سيستم NAVSTAR جايگزين سيستم سري TRANSCT گرديد كه اطلاعات مسيريابي را جهت استفاده‌هاي نظامي و كاربردهاي غيرنظامي و مشخص تهيه مي‌نمود. خصوصاً براي دريانوردي. يكي از مهمترين سيستم‌هاي مسيرياب ماهوارهاي سيستم GPS ميباشد كه در ذيل توضيح داده ميشود.
GPS يا (Golobal Positining System) يك سيستم ماهوارهاي است كه توسط وزارت دفاع امريكا ساخته شده است. و اطلاعات دقيقي از محل، و زمان را در سراسر دنيا در اختيار كاربرها قرار مي‌دهد. سيستم GPS سيگنال‌هايي را ارسال مي‌نمايد كه توسط گيرنده‌هاي GPS دريافت ميشود و موقعيت مكاني، سرعت و زمان را در هر جاي كره زمين در هر موقع از روز يا شب و در هر شرايط آب و هوايي محاسبه مي‌نمايد
اطلاعات بدست آمده ازماهواره های اطراف زمین را مورد تجزیه و تحلیل قرار داده و PTV شما را محاسبه میکنند .P=Position منظور موقعییت شما در هر نقطه از کره خاکی و فضای اطراف آن است . T = Time منظور زمان محلی دقیق و با دقت فوق العاده بالا در همان منطقه ای که شماهستید V = Veloctiy منظور سرعت لحظه ای شماست که آن را با دقت فوق العاده بالامحاسبه می کند . و درعرض 24 ساعت دوباركامل بـــرگرد زميــن مي گردنــــــد . (هرروز دوبار )باسرعتي درحدود( 108 مايل درثانيه كه برابر 11000 كيلومتر در ساعت يا 7000 مايل در ساعت است) ماهواره هاي GPS به نام NAVSTAR شناخته مي شوند...
لازمه هرگونه آشنايي با GPS فراگيري ماهيت اصلي اين ماهواره ها مي باشد . اولين ماهواره GPS درفوريه 1978 پرتاب شد . وزن هرماهواره تقريباً / 2000 پاوند وداراي صفحات آفتابي به پهناي 17f مي باشد . و قدرت فرستنده آن 50 وات ويا كمتر است. هر ماهواره 2 سيگنال ارسال مي كند: L1 و L2 . GPS هاي غير نظامي از فركانس 42MHZ.1575 :L1 اسـتــفــاده مي كننند .
هر ماهواره حدوداً 10 سال فعال مي ماند وجايگزيني ماهواره ها بموقع انجام گشته و ماهواره هاي جايگزين به فضا پرتاب مي گردند . برنامه شبكه GPS هم اكنون تا سال 2006 تنظيم وجايگزيني هاي لازمه ترتيب داده شده اند.مسير گردش ماهواره ها آنها را بين عرض جغرافيايي 60 درجه شمالي و60 درجه جنوبي قرارمي دهد . اين امر به معني آن است كه درهرنقطه از زمين ودرهرزمان مي توان سيگنال هاي ماهواره أي را دريافت نمود. وهرچه به قطبهاي شمال – جنوب نزديك شويم نيز همچنان ماهواره هاي GPS را خواهيم ديد . هرچند دقيقاً در بالاي سرما نخواهند بود واين در دقت وصحت عمل آنها در اين نقاط تاثيرمي گذارد .
يكي از بزرگترين مزاياي رهيابي بوسيله GPS نسبت به روشهاي ديگر زميني آن است كه اين سيستم درهر شرايط جوي و بدون توجه به نوع كاربرد گيرنده GPS بخوبي كارمي كند. سيستم مكان‌ياب جهاني يا GPS يك منبع ملي و مورد استفاده بين‌المللي براي يافتن موقعيت محل، مسيريابي و زمان سنجي ميباشد. و از سه قسمت تشكيل يافته است.
فضا، كاربر، كنترل( Space , User , Control )
سيستم GPS شامل 3 بخش، فضا، كنترل و كاربري ميباشد. بخش فضايي شامل آرايش ماهواره‌ها در فضا با (Constellation) ميباشد. اولين سري اين ماهواره‌ها در سال 1978 در مدار قرار داده شد. و در سال 1986 توسعه و تكميل آرايش ماهوارهاي سيستم GPS به علت جلوگيري از خطرات ناشي از عدم مسيريابي انجام پذيرفت. در فوريه 1989 آرايش ماهوارهاي سيستم GPS با 24 يا تعداد بيشتري ماهواره در مدار كامل و فعال گرديد. سيستم كنترل توسط ارتش آمريكا انجام مي‌گيرد كه رديابي و نگهداري آنها را در مدار كنترل مي‌نمايد.24 عدد ماهواره GPS در مدارهايي بفاصله 24000 هزار مايل (36600 كيلومتر) از سطح دريا گردش مي كنند. هر ماهواره دقيقا طي 12 ساعت يك دور كامل بدور زمين مي گردد. سرعت هريك 7000 مايل بر ساعت است. اين ماهواره ها نيروي خود را از خورشيد تامين مي كنند. همچنين باتري هايي نيز براي زمانهاي خورشيد گرفتگي و يا مواقعي كه در سايه زمين حركت مي كنند بهمراه دارند. راكتهاي كوچكي نيز ماهواره ها را در مسير صحيح نگاه مي دارد كه Yocket Booster نام دارند. به مجموعه اين ماهواره ها NAVSTAR نيز گفته مي شود. در سال 1994 شبكه 24 عددي NAVSTAR تكميل گرديد.
بخش فضايي( Space Segment )
ماهواره‌هاي GPS در حدود 907 kg وزن و 5.18 متر (17 فوت)عرض دارند. طول باتريهاي خورشيدي آن 5.5 متر است. عمر مفيد اين ماهواره‌ها براي5/7 سال طراحي شده است اما اغلب مدت زمان بيشتري در مدار مورد استفاده قرار مي‌گيرند حدودا" 10 سال. پيل‌هاي خورشيدي نيروي اوليه را تهيه مي‌نمايند و نيروي (تغذيه) ثانويه توسط باطري‌هاي Nicod تأمين ميشود. در هر ماهواره چهار ساعت (Clock) اتمي فوق‌العاده دقيق نصب گرديده است اين تعداد به اين علت است تا مطمئن شويم در يك زمان خاص حداقل يكي از آنها كار ميكند. انرژي مصرفي هر ماهواره كمتر از 50 وات است.شركتهاي توليد كننده Garmin وMagellan جزء بزرگترين شركتهاي توليد كننده GPS هستند. در سپتامبر 2001 تعداد ماهواره‌هاي مورد استفاده در مدار 27 عدد بوده است.
مدارات ماهواره‌ها( Satellite orbits )
شامل 6 مدار با فاصله 60 درجه و در هر مدار 4 ماهواره وجود دارد و اين امكان را فراهم مي‌سازد كه با وجود اشكال و خرابي 2 ماهواره در هر مدار سيستم كار نرمال خود را انجام دهد. هر سطح مداري شيبي برابر با 55 درجه با سطح مدار استوايي دارد. ارتفاع زياد مدار (km 20000) باعث ثابت ماندن ماهواره‌ها در مدارشان ميشود. همچنين ارتفاع زياد ماهواره باعث پوشش منطقه وسيعي در روي زمين ميشود.
ماهواره‌هاي GPS هر نقطه در روي زمين را 2 بار در روز پوشش مي‌دهند (از هر نقطه در روي زمين دوبار در روز مي‌گذرند).
سيگنالهاي ماهواره( Satellite Signals )
هر ماهواره يك سيگنال مسيريابي كه شامل عناصر مداري، وضعيت ساعت (Clock)، زمان سيستم و وضعيت پيام‌ها ميباشد را ارسال مي‌نمايد. به علاوه يك تقويم نجومي (almanac) تهيه ميشود كه اطلاعات (تقريبي) را براي هر ماهواره فعال ارسال نمايد. سيگنالهاي راديويي با سرعت نور منتشر ميشوند. سيصد هزار كيلومتر در ثانيه، مدت زمان 06/0 ثانيه طول مي‌كشد كه سيگنال ارسالي از ماهواره GPS به زمين برسد. اين سيگنالها با قدرت كم (حدود 300 تا 350 وات در طيف مايكروويو) ارسال مي‌گردند.
سيگنـال GPS شـــــامــل : يـــك كد شبه تصادفي Pseudo Random Code ، داده اي بنام ephemeris ويك داده تقويــــمي بنام almanac مي باشد. كد شبه تصادفي مشخص كننده ماهواره ارسال كننده اطلاعات ( كد شتاسايي ماهواره ) مي باشد.
هرماهواره باكدي مخصوص شناسايي مي شود : RPN Random Code Pseudo اين عددي است بين 1و 32 . اين عدد درگيرنده هر GPS نمايش داده ميشود .
دليل اينكه تعداد اين شناسه ها بيش از 24 مي باشد امكان تسهيل درنگهداري شبكه GPS باشد . زيرا ممكن است يك ماهواره پرتاب شود و شروع بكار نمايد قبل از اينكه ماهواره قبلي از رده خارج شده باشد . به اين دليل ازيك عدد ديگر بين 1و 32 براي شناسايي اين ماهواره جديد استفاده مي شود .
داده Ephemeris دائماً بوسيله ماهوارها ارسال ميگردد وحاوي اطلاعاتي درمورد : وضعيت خود ماهواره (سالم يا ناسالم) و تاريخ وزمان فعلي مي باشد . گيرنده GPS بدون وجود اين بخش از پيام درمورد زمان وتاريخ فعلي دركي ندارد . اين بخش پيام نكته اساسي براي تعين مكان مي باشد.
Almanac داده أي را انتقال مي دهد كه نشان دهنده اطلاعات مداري براي هرماهواره وتمام ماهوارهاي ديگر سيستم مي باشد .
حال ميتوان شيوه كار GPS را بهتر بررسي كرد . هرماهواره پيامي را ارسال مي كند كه بــطور ســــــاده مي گويد : من ماهواره شماره X هستم ، موقعيت فعلي من Y است ، و اين پيام در زمان Z ارسال شده است.
این ماهواره ها کد های 0و 1 را برای دستگاه گیرنده می فرستند مثلا در ثانیه 0 کد 00001001 و در ثانیه 001 ,0 کد بعدی را در فضا منتشر می کند . هر کدام از این کد ها دوباره تکرار می شوند . مثلا دستگاه گیرنده شما کد 001 را در ثانیه اول می گیرد و در 1 نانو ثانیه بعددوباره این کد را دریافت می کند . بنابر این تشخیص می دهد که مثلا فاصله زمانی بینشما و ماهواره برای امواجی که با سرعت نور حرکت می کنند 1 نانو ثانیه می باشد . حالچرا اینقدر زمان برای ما مهم است ؟ به خاطر اینکه فاصله ها بر اساس زمان سنجیده میشوند . مثلا در مورد مثال بالا فاصله شما از ماهواره برابر می شود با: X=vt=300000110(-9)
كد C/A (Coarse A qwsition Cood) براي استفاده كاربرهاي شخصي در دسترس ميباشد و به عنوان SSP ياStandard Positining Service مسيريابي استاندارد. PPSيا Precise Positioning Service سرويس مكان يابي دقيق كه منحصراً در دسترس كاربرهاي نظامي و كاربرهاي مجاز ميباشد. سيگنالهاي ماهواره به خط مستقيم جهت رسيدن و استفاده گيرنده‌هاي GPS نيازدارند. درخت، ساختمان، كوه و حتي دست و يا بدن مي‌تواند سيگنالهاي ماهواره‌ها را بلوكه نمايد.
تقويم نجومي يا Almanac شامل اطلاعاتي راجع به مدارات 24 ماهواره ميباشد. يك گيرنده GPS از تقويم نجومي كه در پيام‌هاي ديتاي ماهواره وجود دارد براي موقعيت هر ماهوارهاي كه رديابي ميكند استفاده مي‌نمايد. نرم افزار mission planning براي تهيه گراف و موقعيت ماهواره‌هاي قابل رؤيت و بهترين زمان بررسي در منطقه مخصوص، از تقويم نجومي استفاده مي‌نمايد. تقويم نجومي براي مدت 30 روز معتبر ميباشد، اما هر بار كه گيرنده GPS روشن ميشود بطور اتوماتيك تقويم نجومي را دريافت ميكند (در مدت زمان 15 دقيقه). استفاده از تقويم نجومي به روز يا up-to-date براي استفاده از ماهواره‌هايي كه در ديد گيرنده‌هاي GPS قرار مي‌گيرند بسيار مهم ميباشد.
هر چند كه اين شكل ساده شده پيام ارسالي است ولي مي تواند كل طرز كار سيستم را بيان نمايد . گيرنده GPS پيام را مي خواند و داده هاي almanac و ephemeris را جهت استفاده بعدي ذخيــره مي نمايد . اين اطـلاعـات مي توانند براي تصحيح و يا تنظيم ساعت دروني GPS نيز به كار روند .
بخش كنترل( Control Segment)
این بخش شامل ایستگاههای کنترل زمینی است که دارای مختصات معلوم هستند و موقعیت آنها از طریق روشهای کلاسیک تعیین موقعیت نظیر روش VLBI (تعیین فواصل بلند توسط کوازارها)و روش SLR (فاصله سنجی ماهواره ای با امواج لیزر ) بدست آمده است. این ایستگاه ها وظیفه تعقیب پلی نومیال (Polynomials) ریاضی بطریق کمترین مربعات ، پارامترهای مداری (افمریزها)و موقعیت ماهواره ها را نسبت به یک سیستم مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک (مبدا سیستم مختصات تقریبا در مرکززمین قرار دارد.) محاسبه می نماید.
بخش كنترل شامل پنج ايستگاه مونيتور در اقصا نقاط جهان شامل هاوايي، كواجالين، جزيره اسنشن، ديوگوگارسيا و كلورادو ميباشد. ايستگاه (MCS) يا مركز كنترل در كلورادو اسپرينگ در آمريكا قرار دارد. ايستگاههاي مونيتور، ماهوارهاي در معرض ديد را رديابي مي‌نمايد و اطلاعات فاصله را جمع‌آوري و اين اطلاعات را در ايستگاه MCS تجزيه و تحليل و سپس مدارات ماهواره‌ها را مشخص مي‌نمايد و پيام‌هاي هر ماهواره مكان‌ياب را به روز مي‌نمايد. اطلاعات به روز شده از طريق آنتنهاي زميني به ماهواره‌ها ارسال ميگردد. ماهواره‌هايGPS :
1- پيام‌هاي اطلاعاتي ماهواره (موقعيت و زمان) 2- تقويم نجومي 3- اصلاح مداري را كه از ايستگاه MCS دريافت مي‌نمايند، ارسال مي‌كنند و گيرنده‌هاي GPS از تمامي اين اطلاعات جهت محاسبه موقعيت استفاده مي‌نماييد.
طريقه كار GPS چگونه است؟
از اندازه‌گيري فاصله بين گيرنده و ماهواره استفاده مي‌نماييم. ماهواره‌ها در نقاط مشخصي ميباشند و گيرنده‌هاي GPS در روي زمين و منطقه ناشناخته‌اي هستند. امواج راديويي با سرعت نور حركت مي‌كنند. با ضرب زمان حركت سيگنال از ماهواره تا گيرنده GPS درkm/s 300000 فاصله ي بين ماهواره و گيرنده مشخص ميشود. اگر ما از محل 4 ماهواره اطلاع داشته باشيم و مقدار فاصله آنها از گيرنده مشخص گردد، در يك فضاي 3 بعدي ميتوان محل خود را محاسبه نمود.
12000 مايل شعاع كره‌اي ميباشد كه مركز آن ماهواره است (پترن ماهواره‌ها كروي و فاصله آنها تا زمين 12000 مايل است) محل يا موقعيت ما مي‌تواند هر جاي در روي اين كره باشد. اندازه‌گيري دوم (ماهواره دومي)، سطح تقاطع دو كره يك دايره است بنابراين حالا مي‌‌دانيم كه محل ما جايي روي دايره است.
اندازه گيري سوم، 3 كره يكديگر را فقط در 2 نقطه قطع ميكند. يكي از دو نقطه به عنوان غيرقابل قبول حذف ميشود. كامپيوترها در داخل گيرنده‌هاي GPS روش‌ها و تكنيك‌هاي مختلفي براي مشخص نمودن نقطه صحيح از نقطه غيرقابل قبول دارند.
اندازه‌گيري چهارم، Offset زماني اختلاف بين همزماني Clock ماهواره و Clock گيرنده ميباشد. نصب ساعت‌هاي اتمي در گيرنده‌هاي GPS باعث گراني بيش از حد آنها ميشود، در گيرنده‌ها از ساعت‌هاي دقيق كوارتز استفاده ميشود. اندازه‌گيري چهارم مقدار اين Offset را جبران مي‌نمايد و نقطه صحيح را پيدا خواهد نمود. GPS سرعت را نيز اندازه‌گيري ميكند كه براي مسيريابي بسيار مهم است .
به همین ترتیب زمان شمانیز با توجه به موقعیت شما و ساعت GPS محاسبه خواهد شد . این ساعت ساعت محلی است وبا ساعت رسمی هر کشور فرق خواهد داشت . سرعت شما چگونه محاسبه خواهد شد ؟! آیا باتقسیم فاصله بین دو نقطه بر زمان سرعت حاصل نميشود ؟! این روش , روش مناسبی جهت دستگاه دقیقیمثل GPS نمی باشد . سرعت شما با استفاده از اثر دوپلروروابط ان محاسبه میشود.ما درفیزیک دبیرستان با اثر دوپلر آشنا شدیم این در حقیقت همان شکل معروف آمبولانس استکه با نزدیک شدن به ما , رسیدن به ما و دور شدن از ما صدایش نیز تغییر می کند .
طراحان آمریکایی از این مساله در طراحی رادارها و بخصوص دستگاه GPS جهت تعیینسرعت دقیق استفاده کرده اند . خوب حالا به این نکته رسیدیم که می توانیم موقعیت , سرعت و زمان دقیق خود را داشته باشیم . بنابراین طول جغرافیایی , ارتفاع از سطحآبها ی آزاد دریا ها , زمان محلی و سرعت را خواهیم داشت . نکته مهمی که می بایست مورد توجه قرار گیرد اینست که ارتفاعی که G.P.S به ما می دهدبا ارتفاع موجود در نقشه ها و اطلس ها فرق میکند.ارتفاع G.P.S نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریک می باشدکه از سطح دریاهای آزاد محاسبه می گردد.مقدار این اختلاف در بیش ترین حالت در حدود 100 متر می باشد.
سخت افزار و نرم افزار GPS :
سخت افزار GPS در حقیقت مجموعه ای از IC ها و تراشه ها جهت انجام محاسبات خاصیاست که انجام آن برای شخص بسیار سخت می باشد
نرم افزار : نرم افزار این دستگاهشامل برنامه ای است که دستگاه با آن کار می کند و در حقیقت این هم مانند یکی ازبرنامه های کامپیوتری عادی است که البته به زبان C نوشته شده است . نسخه های جدیداین برنامه ها در اینترنت و در سایت شرکتها نامبرده موجود می باشد.
خطاهاي GPS
مدت زمان عبور سيگنالها از لايه‌هاي يونسفروتروپسفر متغير ميباشد. وجود نويز باعث خطا يا تداخل در گيرنده ميشود. خطاهاي موقعيت مداري ممكن است در پارامترهاي ديتا وجود داشته باشد. پارامترهاي ماهواره بطور خلاصه سيستمي از موقعيت‌هاي ماهواره GPS در حوزه زمان ميباشد. اين اطلاعات مشخص مي‌كنند كه ماهواره در كجا و در چه موقع در هر نقطه‌اي بايد باشد. تغييرات بسيار كمي در ساعت‌هاي اتمي خطاهاي زيادي را باعث ميشود. خطاي يك نانو ثانيه‌اي در گيرنده‌هاي GPS در روي زمين 3/0 متر در محاسبه مكان خطا ايجاد مي‌نمايد. عبور چند مسير سيگنال، محل ماهواره‌ها در فضا و SA باعث خط مي گردند.
عبور چند مسير سيگنال يا Multipath پديده‌اي ميباشد كه آنتنهاي گيرنده سيگنال را از دو مسير يا بيشتر دريافت ميكند. اختلاف مسيري كه سيگنالها طي مي‌نمايند باعث تداخل اين سيگنالها در آنتن گيرنده ميگردد و باعث خطا ميشود. پيكربندي يا محل ماهواره‌ها در فضا مي‌تواند بر دقت مكان‌يابي ماهواره تاثير گذارد. GDOP يك اندازه‌گيري از كيفيت پيكربندي ماهواره ميباشد و اشاره به اين موضوع دارد كه ماهواره‌هادر فضا با يكديگر در ارتباط هستند.
SA يا Selective Avalibi lity خطاهاي پارامتري و Clock مصنوعي را نشان مي‌دهد و باعث خطاي عمومي اندازه‌گيري از 70 الي 100 مترمي‌شود. SA در چهارم جولاي 1991 فعال و در يكم مي 2000 خاموش گرديد. خاموش نمودن SA باعث بالارفتن دقت اندازه‌گيري و در نتيجه ايجاد كاربردهاي جديد براي GPS و ارتقاء سطح زندگي مردم در اقصاء نقاط جهان ميشود. توسعه تكنولوژي جديد اين امكان را مي‌دهد در مناطقي دقت GPS را كاهش دهند. ضمن اينكه اين كاهش در نقاط ديگر جهان غير ضروري مي باشد.
يكي از عواملي كه بر روي دقت عمل يك GPS اثــر مي گذارد . شكل قرار گرفتن ماهواره ها نسبت به يكديگر مي باشد . (از نقطه نظر GPS )
اگر يك GPS با چهار ماهواره تبادل نمايد و هر چهار ماهواره در شمال و شرق GPS باشند طرح و هندسه اين ماهوارها براي اين GPS بسيار ضعيف ميباشد و شايد GPS قادر نباشد مكان يابي نمايد. زيرا تمام اندازه گيريهاي فاصله در يك جهت عمومي قرار دارند. مثلث سازي ضعيف است وناحيه مشترك بدست آمده ازاشتراك اين مسافت سنجي ها وسيع مي باشد ( مكاني كه GPS براي مكان خود تصورمي كند بسيار وسيع مي باشد ودر نتيجه تعيين دقيق محل آن ممكن نيست ) دراين موقعيتها حتي اگر GPS مكان يابي را انجام دهد وموقعيتي راگزارش نمايد دقت آن نمي تواند زياد خوب باشـــــــد ( كمتر از500-300 فيت ).
اگر همين چهارماهواره درچهارجهت ( شمال ، جنوب ، شرق ، غرب ) وبا زواياي 90 درجه قرارداشته باشند طرح اين چهار ماهواره براي GPS مزبور بهترين حالت مي باشد چراكه جهات مسافت سنجي چهار جهت متفاوت و نقطه اشتراك اين مسافت سنجي ها بسيار كوچك مي باشد . وهرچه اين نقطه اشتراك كوچكتر باشد به معني آن است كه بيشتر به نقطه واقعي حضورخود نزديك شده ايم . دراين موقعيت دقت عمل كمتر از100فيت مي باشد .
طرح وهندسه قرارگرفتن ماهواره ها هنگاميكه GPS نزديكي ساختمانهاي بلند، قلل كوهها ، دره هاي عميق ويا در وسايل نقليه قرارگرفته باشد به مساله مهمتري تبديـل مي گردد .اگر مانعي در رسيدن سيگنالهاي بعضي از ماهواره ها وجود داشته باشد GPS مي تواند از بقيه ماهواره ها بـــراي مكان يابي خود استفاده نمايد. هرچه اين موانع بيشتر و شديدتر شوند مكان يابي نيز مشكل تر مي گردد .
يك گيرنده GPS نه تنها ماهواره هاي قابل استفاده را تشخيص مي دهد بلكه مكان آنها را درآسمان نيز تعيين مي كند . ( ارتفاع و زاويه ) منبع ديگرايجاد خطا " چند مسيري " مي باشد ." چند مسيري" نتيجه انعكاس سيگنال راديويي به وسيله يك شي مي باشد . اين پديده باعث ايجاد تصاوير سايه دار در تلويزيونها مي گردد هر چند در آنتنهاي جديد اين شكل به وجود نمي آيد ، اين پديده در آنتنهاي رو تلويزيوني قديمي به وجود مي آمد.
بروز اين اختلال براي GPS ها به اين شكل است كه امواج بعد از انعكاس به وسيله اشياء ( مانند ساختمانها يا زمين ) به آنتن GPS برسند . در اين صورت سيگنال مسير بيشتري را تا رسيدن به آنتن GPS طي مي كند و اين باعث مي شود كه GPS فاصله ماهواره را بيشتر از آنچه هست محاسبه نمايد. كه باعث ايجاد خطا در مكان يابي نهايي مي گردد. در صورت بروز اين اختلال تقريباً 15 فيت بر خطاي نهايي افزوده مي شود .منبع ديگري نيز براي ايجاد خطا ممكن است وجود داشته باشند . افزايش تاخير ( delay ) به دليل اثرات جوي نيز مي تواند برروي دقت كار اثر بگذارد . همچنين خطاهاي ساعت داخلي GPS . در هر دو اين موارد گيرنده GPS طوري طراحي شده است كه اين اثرات را جبران نمايد . ولي خطاهاي كوچكي بر اساس همين اثرات همچنان بروز خواهند كرد .
در عمل ، دقت كار يك GPS غير نظامي معمولي ، با توجه به تعداد ماهواره هاي تبادلي و طرح قرار گرفتن آنها بين 60 تا 225 فيت مي باشد. GPS هاي پيچيده تر و گرانتر مي توانند با دقتهايي در حد سانتيمتر كاركنند . ولي دقت يك GPS معمولي نيزمي تواند به كـــمك پـــردازشي بـــه نـــام DGPS Differential GPS به حدود 14 فيت يا كمتر برسد .سرويسهاي DGPS با هزينه كمي قابل اشتراك مي باشند .
سيگنال تصحيحات DGPS توسط سازمان Army Corps Of Engineers و از ايستگاههاي مخصوص ارسال مي گردد . اين ايستگاهها در فركانس KHZ .325- 283.5 كار مي كنند تنها هزينه استفاده از اين سرويس خريدن يك دامنه از اين سيگنالها مي باشد . با اين كار يك گيرنده ديگر به GPS ما متصل مي شود ( از طريق يك كابل سه رشته اي ) و عمل تصحيح را طبق يك روش استاندارد به نام ( RTCM SC-104 ) انجام مي دهد . اشتراك سرويسهاي DGPS از طريق امواج راديويي FM نيز ممكن مي باشد .
GPS ها داراي كاربردهاي متنوعي در زمين ، دريا و هوا مي باشند ، اساساً GPS هر جايي قابل استفاده است مگر در نقاطي كه امكان وصول امواج ماهواره درآنها نباشد مانند داخل ساختمانها ، غارها ونقاط زيرزميني ديگر و يا زير دريا ، كاربردهاي هوايي GPS در رهيابي براي هوانوردي تجاري ميباشد . در دريا نيز ماهيگيران ، قايقهاي تجاري ، ودريا نوردان حرفه أي از GPS براي رهيابي استفاده مي كنند .
استفاده هاي زميني GPS بسيار گسترده تر مي باشد . مراكز علمي از GPS براي استفاده از قابليت و دقت زمان سنجي اش واطلاعات مكاني اش استفاده مي كنند . نقشه برداران از GPS براي توسعه منطقه كاري خود بــــهره مي گيرند . سايتهاي گرانقيمت نقشه برداري دقتهايي تا يك متر را فراهم مي آورند . GPS ها علاوه بر صرفه جويي دقتهاي بهتري را براي اين سايتها به ارمغان مي آورند . استفاده هاي تفريحي از GPS نيز به تعداد تمام ورزشهاي تفريحي متنوع است . به عـنوان مثال براي شكارچيان ، برف نوردان ، كوهنوردان وسياحان و…
در نهايت بايد گفت هركسي كه مي خواهد بداند كه دركجا قراردارد ، راهش به چه سمتي است ، ويا با چه سرعتي درحركت است مي تواند از يك GPS استفاده كند . در خودروها نيز وجود GPS به امري عادي بدل خواهد شد.سيستم هايي درحال تهيه است تا دركنار هر جاده اي با فشار دادن يك كليد موقعيت به يك مركز اورژانس انتقال يابد . ( بوسيله انتقال موقعيت فعلي به يك مركز توزيع ) سيستم هاي پيچيده ديگري موقعيت هر خودرو را دريك خيابان ترسيم مي كنند اين سيستمها به راننده بهترين مسير براي رسيدن به يك هدف خاص را پيشنهاد مي كنند.
هم اکنون از این تکنیک برای ردیابی اتوبوسهای مسافربری استفاده میشود. بدینصورت که در داخل هر اوبوس مسافربری یک ماژول جی پی اس وجود داشته و توسط Trace این ماژول بوسیله ماهواره نتایج بدست آمده پردازش شده و در دفتر شرکت اتوبوسرانی در روی کامپیوتر مسیر حرکت اتوبوس و محلی که در آن قرار دارد نمایش داده میشود. البته برای این برنامه شل نرم افزاری خاصی نوشته شده است که مسیر حرکت اتوبوس بصورت نقشه روی صفحه مونیتور موجود است و محلی که اتوبوس در آن لحظه در آن است توسط سیگنالهای ارسالی از ماژول به ماهواره و ماهواره به دفتر کنترل روی نقشه در صفحه مونیتور مشخص است . میزان خطا در ردیابی محل ماژول با دستگاههای پیشرفته امروزی فقط در حد سانتیمتر است .
در نمایشگاه الکترونیک امسال و همچنین نمایشگاه سال گذشته (در محل نمایشگاه بین المللی تهران) طرز کار این سیستم بصورت نمایشی (دمو) توسط چند شرکت که در این زمینه فعالیت دارند به نمایش گذاشته شده بود.
همانطور که گفتیمدستگاه GPS یک کامپیوتر کوچک است که جهت انجام امور خاصی برنامه ریزی شده است . بنابراین این کامپیوتر با داشتن مختصات شما می تواند کارهای دیگری هم انجام بدهد . مثلا می تواند زمان طلوع و غروب خورشید را در موقعیت شما بگوید . همچنین زمان طلوعو غروب ماه . شاید خیلی جالب باشد ولی GPS می تواند زمان باقیمانده برای رسیدن بهمقصد مورد نظر را با توجه به سرعت شما محاسبه کند . همچنین میانگین سرعت شما , بیشترین سرعت , میانگین سربالایی و سرازیری مسیر , سرعت عمودی , موقعیت منطقه ازنظر شکار و ماهیگیری و شکار در هر نقطه جهان , محاسبه مساحت یک نقطه ناشناخته و برگرداندن شما از مسیر آمده و ....
در ضمن نکته ای که در مورد GPS حائز اهمیت استاین است که شرایط آب و هوایی هیچ تاثیر بر روی کارکرد این وسیله ندارد.
دسته بندي دستگاههاي GPS :
بطور كلي يك GPS را ميتوان از يكي از سه گروه زير دانست :
GPS MOUSE : هيچ صفحه يا دكمه اي ندارد اما توسط يك PC Laptop يا نرم افزار مربوطه قابل استفاده سرويس GPSS ميباشد. دستگاههاي اين گروه مانند: Garmin GPS 35 و Delorme يا Rand Macnalley . قيمت اين GPS ها حدود 75 تا 150 دلار آمريكا متغير ميباشد. ولي فراموش نكنيد كه اين نوع GPS ها حتما" به PC Laptop نياز دارند.
Hand-Held GPS: اين نوع دستگاهها مي توانند بصورت سيار مورد استفادهقرار گيرند آنها خودشان يك صفحه كوچك جهت نمايش اطلاعات و چند دكمه دارند و در شكلها و تركيب هاي مختلفي عرضه ميشوند و هيچگونه نيازي بهLaptop ندارند. كه بطور مثالميتوان مدل با قيمت پائين Garmin شبيه Etrex, GPS12*l , GPS12 يا مدل هاي 315, 310از Magellan را نام برد. تعدادي از اينها يك رابط NMEA و يك كابل رابط دارند قيمتبا كابل ممكن است حدود 210 دلار به بالا باشد و ممكن است بعضي از كشورها ارزانتر همموجود باشد.
يك GPS دستي ارزان قيمت با يك كابل رابط براي انتخاب و آغاز كار با GPS مناسب ميباشد، حتيبراي سرگرمي يا كار يا آشنايي شما با طرز كار و خدمات GPS.
High-End GPS products: ايندستگاهها شامل يك صفحه نمايشگر بزرگتر و تعدادي نقشه ميباشند و در بعضي از آنها شمابايستي مبلغ بيشتري جهت نقشه ها بپردازيد. قيمت اين دستگاهها ممكن است بسته به نوعمحصول بالاتر از 1500 دلار آمريكا باشد كه نمونه هايي از آن مانندBlaupunkt PhihPs و Alpine ميباش
Greenwich Mean Time یا همان GMT طبق این قرارداد کره زمین که 360 درجه می باشد و هر ساعت 15 درجه خواهد بود . برای مثال کشور ما ایران 03:30 + نسبت به گرینویچ جلو تر است . بشر هر روز به دنبال پیدا کردن راه جدیدی جهت ناوبریمطمئن تر بود . در دوران جنگ سرد و پس از حمله غافلگیرانه به Pearl harbor در 7دسامبر 1941 آمریکاییها احساس خطر کردند و با دلیل نگرانی از آغاز جنگ ناگهانی و ازدست دادن مستعمراتشان شروع به طراحی GPS نمودند.
GPS های اولیه بسیار پیچیدهبودند و کار با آنها بسیار سخت بود . به مرور زمان GPS ها بسیار پیشرفته تر شدندولی این دستگاه فقط در اختیار وزارت دفاع آمریکا بود و هیچ سازمانی دیگر قادر بهاستفاده از این تکنولوژی نبود . پس از سقوط هواپیمای 007 کره ای در روسیه به خاطرناوبری اشتباه ,در سال 1980 پرزيدنت ریگان اعلام کرد که استفاده از GPS برای عموم آزاد است.
كلمه Navigation از دو كلمه لاتين به معني كشتي (Ship) و حركت (Move) گرفته شده است و اساساً به معني پيدا نمودن مسير در دريا ميباشد. اما بعدها با شروع مسافرت در فضا و خشكي اين كلمه به مفهوم مسيريابي در هوا، خشكي و دريا بكار برده شد. مسيريابي اوليه توسط اجرام سماوي و قطب‌نماهاي مغناطيسي انجام مي‌گرديد، با پيشرفت عدم و تكنولوژي امروزه از سيستم‌هاي پيشرفته ماهوارهاي استفاده ميشود. ماهواره‌هاي مسيرياب قادر به مشخص نمودن طول و عرض جغرافيايي، ارتفاع از سطح دريا، سرعت، فاصله و زمان با دقت بسيار بالا ميباشند
NAVSTAR يكي از سيستم‌هاي ماهوارهاي مسيرياب ميباشد كه اين اطلاعات را در اختيار قرار مي‌دهد. اين سيستم دقتي در 15 متر را دارا ميباشد. سيستم NAVSTAR جايگزين سيستم سري TRANSCT گرديد كه اطلاعات مسيريابي را جهت استفاده‌هاي نظامي و كاربردهاي غيرنظامي و مشخص تهيه مي‌نمود. خصوصاً براي دريانوردي. يكي از مهمترين سيستم‌هاي مسيرياب ماهوارهاي سيستم GPS ميباشد كه در ذيل توضيح داده ميشود.
GPS يا (Golobal Positining System) يك سيستم ماهوارهاي است كه توسط وزارت دفاع امريكا ساخته شده است. و اطلاعات دقيقي از محل، و زمان را در سراسر دنيا در اختيار كاربرها قرار مي‌دهد. سيستم GPS سيگنال‌هايي را ارسال مي‌نمايد كه توسط گيرنده‌هاي GPS دريافت ميشود و موقعيت مكاني، سرعت و زمان را در هر جاي كره زمين در هر موقع از روز يا شب و در هر شرايط آب و هوايي محاسبه مي‌نمايد
اطلاعات بدست آمده ازماهواره های اطراف زمین را مورد تجزیه و تحلیل قرار داده و PTV شما را محاسبه میکنند .P=Position منظور موقعییت شما در هر نقطه از کره خاکی و فضای اطراف آن است . T = Time منظور زمان محلی دقیق و با دقت فوق العاده بالا در همان منطقه ای که شماهستید V = Veloctiy منظور سرعت لحظه ای شماست که آن را با دقت فوق العاده بالامحاسبه می کند . و درعرض 24 ساعت دوباركامل بـــرگرد زميــن مي گردنــــــد . (هرروز دوبار )باسرعتي درحدود( 108 مايل درثانيه كه برابر 11000 كيلومتر در ساعت يا 7000 مايل در ساعت است) ماهواره هاي GPS به نام NAVSTAR شناخته مي شوند...
لازمه هرگونه آشنايي با GPS فراگيري ماهيت اصلي اين ماهواره ها مي باشد . اولين ماهواره GPS درفوريه 1978 پرتاب شد . وزن هرماهواره تقريباً / 2000 پاوند وداراي صفحات آفتابي به پهناي 17f مي باشد . و قدرت فرستنده آن 50 وات ويا كمتر است. هر ماهواره 2 سيگنال ارسال مي كند: L1 و L2 . GPS هاي غير نظامي از فركانس 42MHZ.1575 :L1 اسـتــفــاده مي كننند .
هر ماهواره حدوداً 10 سال فعال مي ماند وجايگزيني ماهواره ها بموقع انجام گشته و ماهواره هاي جايگزين به فضا پرتاب مي گردند . برنامه شبكه GPS هم اكنون تا سال 2006 تنظيم وجايگزيني هاي لازمه ترتيب داده شده اند.مسير گردش ماهواره ها آنها را بين عرض جغرافيايي 60 درجه شمالي و60 درجه جنوبي قرارمي دهد . اين امر به معني آن است كه درهرنقطه از زمين ودرهرزمان مي توان سيگنال هاي ماهواره أي را دريافت نمود. وهرچه به قطبهاي شمال – جنوب نزديك شويم نيز همچنان ماهواره هاي GPS را خواهيم ديد . هرچند دقيقاً در بالاي سرما نخواهند بود واين در دقت وصحت عمل آنها در اين نقاط تاثيرمي گذارد .
يكي از بزرگترين مزاياي رهيابي بوسيله GPS نسبت به روشهاي ديگر زميني آن است كه اين سيستم درهر شرايط جوي و بدون توجه به نوع كاربرد گيرنده GPS بخوبي كارمي كند. سيستم مكان‌ياب جهاني يا GPS يك منبع ملي و مورد استفاده بين‌المللي براي يافتن موقعيت محل، مسيريابي و زمان سنجي ميباشد. و از سه قسمت تشكيل يافته است.
فضا، كاربر، كنترل( Space , User , Control )
سيستم GPS شامل 3 بخش، فضا، كنترل و كاربري ميباشد. بخش فضايي شامل آرايش ماهواره‌ها در فضا با (Constellation) ميباشد. اولين سري اين ماهواره‌ها در سال 1978 در مدار قرار داده شد. و در سال 1986 توسعه و تكميل آرايش ماهوارهاي سيستم GPS به علت جلوگيري از خطرات ناشي از عدم مسيريابي انجام پذيرفت. در فوريه 1989 آرايش ماهوارهاي سيستم GPS با 24 يا تعداد بيشتري ماهواره در مدار كامل و فعال گرديد. سيستم كنترل توسط ارتش آمريكا انجام مي‌گيرد كه رديابي و نگهداري آنها را در مدار كنترل مي‌نمايد.24 عدد ماهواره GPS در مدارهايي بفاصله 24000 هزار مايل (36600 كيلومتر) از سطح دريا گردش مي كنند. هر ماهواره دقيقا طي 12 ساعت يك دور كامل بدور زمين مي گردد. سرعت هريك 7000 مايل بر ساعت است. اين ماهواره ها نيروي خود را از خورشيد تامين مي كنند. همچنين باتري هايي نيز براي زمانهاي خورشيد گرفتگي و يا مواقعي كه در سايه زمين حركت مي كنند بهمراه دارند. راكتهاي كوچكي نيز ماهواره ها را در مسير صحيح نگاه مي دارد كه Yocket Booster نام دارند. به مجموعه اين ماهواره ها NAVSTAR نيز گفته مي شود. در سال 1994 شبكه 24 عددي NAVSTAR تكميل گرديد.
بخش فضايي( Space Segment )
ماهواره‌هاي GPS در حدود 907 kg وزن و 5.18 متر (17 فوت)عرض دارند. طول باتريهاي خورشيدي آن 5.5 متر است. عمر مفيد اين ماهواره‌ها براي5/7 سال طراحي شده است اما اغلب مدت زمان بيشتري در مدار مورد استفاده قرار مي‌گيرند حدودا" 10 سال. پيل‌هاي خورشيدي نيروي اوليه را تهيه مي‌نمايند و نيروي (تغذيه) ثانويه توسط باطري‌هاي Nicod تأمين ميشود. در هر ماهواره چهار ساعت (Clock) اتمي فوق‌العاده دقيق نصب گرديده است اين تعداد به اين علت است تا مطمئن شويم در يك زمان خاص حداقل يكي از آنها كار ميكند. انرژي مصرفي هر ماهواره كمتر از 50 وات است.شركتهاي توليد كننده Garmin وMagellan جزء بزرگترين شركتهاي توليد كننده GPS هستند. در سپتامبر 2001 تعداد ماهواره‌هاي مورد استفاده در مدار 27 عدد بوده است.
مدارات ماهواره‌ها( Satellite orbits )
شامل 6 مدار با فاصله 60 درجه و در هر مدار 4 ماهواره وجود دارد و اين امكان را فراهم مي‌سازد كه با وجود اشكال و خرابي 2 ماهواره در هر مدار سيستم كار نرمال خود را انجام دهد. هر سطح مداري شيبي برابر با 55 درجه با سطح مدار استوايي دارد. ارتفاع زياد مدار (km 20000) باعث ثابت ماندن ماهواره‌ها در مدارشان ميشود. همچنين ارتفاع زياد ماهواره باعث پوشش منطقه وسيعي در روي زمين ميشود.
ماهواره‌هاي GPS هر نقطه در روي زمين را 2 بار در روز پوشش مي‌دهند (از هر نقطه در روي زمين دوبار در روز مي‌گذرند).
سيگنالهاي ماهواره( Satellite Signals )
هر ماهواره يك سيگنال مسيريابي كه شامل عناصر مداري، وضعيت ساعت (Clock)، زمان سيستم و وضعيت پيام‌ها ميباشد را ارسال مي‌نمايد. به علاوه يك تقويم نجومي (almanac) تهيه ميشود كه اطلاعات (تقريبي) را براي هر ماهواره فعال ارسال نمايد. سيگنالهاي راديويي با سرعت نور منتشر ميشوند. سيصد هزار كيلومتر در ثانيه، مدت زمان 06/0 ثانيه طول مي‌كشد كه سيگنال ارسالي از ماهواره GPS به زمين برسد. اين سيگنالها با قدرت كم (حدود 300 تا 350 وات در طيف مايكروويو) ارسال مي‌گردند.
سيگنـال GPS شـــــامــل : يـــك كد شبه تصادفي Pseudo Random Code ، داده اي بنام ephemeris ويك داده تقويــــمي بنام almanac مي باشد. كد شبه تصادفي مشخص كننده ماهواره ارسال كننده اطلاعات ( كد شتاسايي ماهواره ) مي باشد.
هرماهواره باكدي مخصوص شناسايي مي شود : RPN Random Code Pseudo اين عددي است بين 1و 32 . اين عدد درگيرنده هر GPS نمايش داده ميشود .
دليل اينكه تعداد اين شناسه ها بيش از 24 مي باشد امكان تسهيل درنگهداري شبكه GPS باشد . زيرا ممكن است يك ماهواره پرتاب شود و شروع بكار نمايد قبل از اينكه ماهواره قبلي از رده خارج شده باشد . به اين دليل ازيك عدد ديگر بين 1و 32 براي شناسايي اين ماهواره جديد استفاده مي شود .
داده Ephemeris دائماً بوسيله ماهوارها ارسال ميگردد وحاوي اطلاعاتي درمورد : وضعيت خود ماهواره (سالم يا ناسالم) و تاريخ وزمان فعلي مي باشد . گيرنده GPS بدون وجود اين بخش از پيام درمورد زمان وتاريخ فعلي دركي ندارد . اين بخش پيام نكته اساسي براي تعين مكان مي باشد.
Almanac داده أي را انتقال مي دهد كه نشان دهنده اطلاعات مداري براي هرماهواره وتمام ماهوارهاي ديگر سيستم مي باشد .
حال ميتوان شيوه كار GPS را بهتر بررسي كرد . هرماهواره پيامي را ارسال مي كند كه بــطور ســــــاده مي گويد : من ماهواره شماره X هستم ، موقعيت فعلي من Y است ، و اين پيام در زمان Z ارسال شده است.
این ماهواره ها کد های 0و 1 را برای دستگاه گیرنده می فرستند مثلا در ثانیه 0 کد 00001001 و در ثانیه 001 ,0 کد بعدی را در فضا منتشر می کند . هر کدام از این کد ها دوباره تکرار می شوند . مثلا دستگاه گیرنده شما کد 001 را در ثانیه اول می گیرد و در 1 نانو ثانیه بعددوباره این کد را دریافت می کند . بنابر این تشخیص می دهد که مثلا فاصله زمانی بینشما و ماهواره برای امواجی که با سرعت نور حرکت می کنند 1 نانو ثانیه می باشد . حالچرا اینقدر زمان برای ما مهم است ؟ به خاطر اینکه فاصله ها بر اساس زمان سنجیده میشوند . مثلا در مورد مثال بالا فاصله شما از ماهواره برابر می شود با: X=vt=300000110(-9)
كد C/A (Coarse A qwsition Cood) براي استفاده كاربرهاي شخصي در دسترس ميباشد و به عنوان SSP ياStandard Positining Service مسيريابي استاندارد. PPSيا Precise Positioning Service سرويس مكان يابي دقيق كه منحصراً در دسترس كاربرهاي نظامي و كاربرهاي مجاز ميباشد. سيگنالهاي ماهواره به خط مستقيم جهت رسيدن و استفاده گيرنده‌هاي GPS نيازدارند. درخت، ساختمان، كوه و حتي دست و يا بدن مي‌تواند سيگنالهاي ماهواره‌ها را بلوكه نمايد.
تقويم نجومي يا Almanac شامل اطلاعاتي راجع به مدارات 24 ماهواره ميباشد. يك گيرنده GPS از تقويم نجومي كه در پيام‌هاي ديتاي ماهواره وجود دارد براي موقعيت هر ماهوارهاي كه رديابي ميكند استفاده مي‌نمايد. نرم افزار mission planning براي تهيه گراف و موقعيت ماهواره‌هاي قابل رؤيت و بهترين زمان بررسي در منطقه مخصوص، از تقويم نجومي استفاده مي‌نمايد. تقويم نجومي براي مدت 30 روز معتبر ميباشد، اما هر بار كه گيرنده GPS روشن ميشود بطور اتوماتيك تقويم نجومي را دريافت ميكند (در مدت زمان 15 دقيقه). استفاده از تقويم نجومي به روز يا up-to-date براي استفاده از ماهواره‌هايي كه در ديد گيرنده‌هاي GPS قرار مي‌گيرند بسيار مهم ميباشد.
هر چند كه اين شكل ساده شده پيام ارسالي است ولي مي تواند كل طرز كار سيستم را بيان نمايد . گيرنده GPS پيام را مي خواند و داده هاي almanac و ephemeris را جهت استفاده بعدي ذخيــره مي نمايد . اين اطـلاعـات مي توانند براي تصحيح و يا تنظيم ساعت دروني GPS نيز به كار روند .
بخش كنترل( Control Segment)
این بخش شامل ایستگاههای کنترل زمینی است که دارای مختصات معلوم هستند و موقعیت آنها از طریق روشهای کلاسیک تعیین موقعیت نظیر روش VLBI (تعیین فواصل بلند توسط کوازارها)و روش SLR (فاصله سنجی ماهواره ای با امواج لیزر ) بدست آمده است. این ایستگاه ها وظیفه تعقیب پلی نومیال (Polynomials) ریاضی بطریق کمترین مربعات ، پارامترهای مداری (افمریزها)و موقعیت ماهواره ها را نسبت به یک سیستم مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک (مبدا سیستم مختصات تقریبا در مرکززمین قرار دارد.) محاسبه می نماید.
بخش كنترل شامل پنج ايستگاه مونيتور در اقصا نقاط جهان شامل هاوايي، كواجالين، جزيره اسنشن، ديوگوگارسيا و كلورادو ميباشد. ايستگاه (MCS) يا مركز كنترل در كلورادو اسپرينگ در آمريكا قرار دارد. ايستگاههاي مونيتور، ماهوارهاي در معرض ديد را رديابي مي‌نمايد و اطلاعات فاصله را جمع‌آوري و اين اطلاعات را در ايستگاه MCS تجزيه و تحليل و سپس مدارات ماهواره‌ها را مشخص مي‌نمايد و پيام‌هاي هر ماهواره مكان‌ياب را به روز مي‌نمايد. اطلاعات به روز شده از طريق آنتنهاي زميني به ماهواره‌ها ارسال ميگردد. ماهواره‌هايGPS :
1- پيام‌هاي اطلاعاتي ماهواره (موقعيت و زمان) 2- تقويم نجومي 3- اصلاح مداري را كه از ايستگاه MCS دريافت مي‌نمايند، ارسال مي‌كنند و گيرنده‌هاي GPS از تمامي اين اطلاعات جهت محاسبه موقعيت استفاده مي‌نماييد.
طريقه كار GPS چگونه است؟
از اندازه‌گيري فاصله بين گيرنده و ماهواره استفاده مي‌نماييم. ماهواره‌ها در نقاط مشخصي ميباشند و گيرنده‌هاي GPS در روي زمين و منطقه ناشناخته‌اي هستند. امواج راديويي با سرعت نور حركت مي‌كنند. با ضرب زمان حركت سيگنال از ماهواره تا گيرنده GPS درkm/s 300000 فاصله ي بين ماهواره و گيرنده مشخص ميشود. اگر ما از محل 4 ماهواره اطلاع داشته باشيم و مقدار فاصله آنها از گيرنده مشخص گردد، در يك فضاي 3 بعدي ميتوان محل خود را محاسبه نمود.
12000 مايل شعاع كره‌اي ميباشد كه مركز آن ماهواره است (پترن ماهواره‌ها كروي و فاصله آنها تا زمين 12000 مايل است) محل يا موقعيت ما مي‌تواند هر جاي در روي اين كره باشد. اندازه‌گيري دوم (ماهواره دومي)، سطح تقاطع دو كره يك دايره است بنابراين حالا مي‌‌دانيم كه محل ما جايي روي دايره است.
اندازه گيري سوم، 3 كره يكديگر را فقط در 2 نقطه قطع ميكند. يكي از دو نقطه به عنوان غيرقابل قبول حذف ميشود. كامپيوترها در داخل گيرنده‌هاي GPS روش‌ها و تكنيك‌هاي مختلفي براي مشخص نمودن نقطه صحيح از نقطه غيرقابل قبول دارند.
اندازه‌گيري چهارم، Offset زماني اختلاف بين همزماني Clock ماهواره و Clock گيرنده ميباشد. نصب ساعت‌هاي اتمي در گيرنده‌هاي GPS باعث گراني بيش از حد آنها ميشود، در گيرنده‌ها از ساعت‌هاي دقيق كوارتز استفاده ميشود. اندازه‌گيري چهارم مقدار اين Offset را جبران مي‌نمايد و نقطه صحيح را پيدا خواهد نمود. GPS سرعت را نيز اندازه‌گيري ميكند كه براي مسيريابي بسيار مهم است .
به همین ترتیب زمان شمانیز با توجه به موقعیت شما و ساعت GPS محاسبه خواهد شد . این ساعت ساعت محلی است وبا ساعت رسمی هر کشور فرق خواهد داشت . سرعت شما چگونه محاسبه خواهد شد ؟! آیا باتقسیم فاصله بین دو نقطه بر زمان سرعت حاصل نميشود ؟! این روش , روش مناسبی جهت دستگاه دقیقیمثل GPS نمی باشد . سرعت شما با استفاده از اثر دوپلروروابط ان محاسبه میشود.ما درفیزیک دبیرستان با اثر دوپلر آشنا شدیم این در حقیقت همان شکل معروف آمبولانس استکه با نزدیک شدن به ما , رسیدن به ما و دور شدن از ما صدایش نیز تغییر می کند .
طراحان آمریکایی از این مساله در طراحی رادارها و بخصوص دستگاه GPS جهت تعیینسرعت دقیق استفاده کرده اند . خوب حالا به این نکته رسیدیم که می توانیم موقعیت , سرعت و زمان دقیق خود را داشته باشیم . بنابراین طول جغرافیایی , ارتفاع از سطحآبها ی آزاد دریا ها , زمان محلی و سرعت را خواهیم داشت . نکته مهمی که می بایست مورد توجه قرار گیرد اینست که ارتفاعی که G.P.S به ما می دهدبا ارتفاع موجود در نقشه ها و اطلس ها فرق میکند.ارتفاع G.P.S نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریک می باشدکه از سطح دریاهای آزاد محاسبه می گردد.مقدار این اختلاف در بیش ترین حالت در حدود 100 متر می باشد.
سخت افزار و نرم افزار GPS :
سخت افزار GPS در حقیقت مجموعه ای از IC ها و تراشه ها جهت انجام محاسبات خاصیاست که انجام آن برای شخص بسیار سخت می باشد
نرم افزار : نرم افزار این دستگاهشامل برنامه ای است که دستگاه با آن کار می کند و در حقیقت این هم مانند یکی ازبرنامه های کامپیوتری عادی است که البته به زبان C نوشته شده است . نسخه های جدیداین برنامه ها در اینترنت و در سایت شرکتها نامبرده موجود می باشد.
خطاهاي GPS
مدت زمان عبور سيگنالها از لايه‌هاي يونسفروتروپسفر متغير ميباشد. وجود نويز باعث خطا يا تداخل در گيرنده ميشود. خطاهاي موقعيت مداري ممكن است در پارامترهاي ديتا وجود داشته باشد. پارامترهاي ماهواره بطور خلاصه سيستمي از موقعيت‌هاي ماهواره GPS در حوزه زمان ميباشد. اين اطلاعات مشخص مي‌كنند كه ماهواره در كجا و در چه موقع در هر نقطه‌اي بايد باشد. تغييرات بسيار كمي در ساعت‌هاي اتمي خطاهاي زيادي را باعث ميشود. خطاي يك نانو ثانيه‌اي در گيرنده‌هاي GPS در روي زمين 3/0 متر در محاسبه مكان خطا ايجاد مي‌نمايد. عبور چند مسير سيگنال، محل ماهواره‌ها در فضا و SA باعث خط مي گردند.
عبور چند مسير سيگنال يا Multipath پديده‌اي ميباشد كه آنتنهاي گيرنده سيگنال را از دو مسير يا بيشتر دريافت ميكند. اختلاف مسيري كه سيگنالها طي مي‌نمايند باعث تداخل اين سيگنالها در آنتن گيرنده ميگردد و باعث خطا ميشود. پيكربندي يا محل ماهواره‌ها در فضا مي‌تواند بر دقت مكان‌يابي ماهواره تاثير گذارد. GDOP يك اندازه‌گيري از كيفيت پيكربندي ماهواره ميباشد و اشاره به اين موضوع دارد كه ماهواره‌هادر فضا با يكديگر در ارتباط هستند.
SA يا Selective Avalibi lity خطاهاي پارامتري و Clock مصنوعي را نشان مي‌دهد و باعث خطاي عمومي اندازه‌گيري از 70 الي 100 مترمي‌شود. SA در چهارم جولاي 1991 فعال و در يكم مي 2000 خاموش گرديد. خاموش نمودن SA باعث بالارفتن دقت اندازه‌گيري و در نتيجه ايجاد كاربردهاي جديد براي GPS و ارتقاء سطح زندگي مردم در اقصاء نقاط جهان ميشود. توسعه تكنولوژي جديد اين امكان را مي‌دهد در مناطقي دقت GPS را كاهش دهند. ضمن اينكه اين كاهش در نقاط ديگر جهان غير ضروري مي باشد.
يكي از عواملي كه بر روي دقت عمل يك GPS اثــر مي گذارد . شكل قرار گرفتن ماهواره ها نسبت به يكديگر مي باشد . (از نقطه نظر GPS )
اگر يك GPS با چهار ماهواره تبادل نمايد و هر چهار ماهواره در شمال و شرق GPS باشند طرح و هندسه اين ماهوارها براي اين GPS بسيار ضعيف ميباشد و شايد GPS قادر نباشد مكان يابي نمايد. زيرا تمام اندازه گيريهاي فاصله در يك جهت عمومي قرار دارند. مثلث سازي ضعيف است وناحيه مشترك بدست آمده ازاشتراك اين مسافت سنجي ها وسيع مي باشد ( مكاني كه GPS براي مكان خود تصورمي كند بسيار وسيع مي باشد ودر نتيجه تعيين دقيق محل آن ممكن نيست ) دراين موقعيتها حتي اگر GPS مكان يابي را انجام دهد وموقعيتي راگزارش نمايد دقت آن نمي تواند زياد خوب باشـــــــد ( كمتر از500-300 فيت ).
اگر همين چهارماهواره درچهارجهت ( شمال ، جنوب ، شرق ، غرب ) وبا زواياي 90 درجه قرارداشته باشند طرح اين چهار ماهواره براي GPS مزبور بهترين حالت مي باشد چراكه جهات مسافت سنجي چهار جهت متفاوت و نقطه اشتراك اين مسافت سنجي ها بسيار كوچك مي باشد . وهرچه اين نقطه اشتراك كوچكتر باشد به معني آن است كه بيشتر به نقطه واقعي حضورخود نزديك شده ايم . دراين موقعيت دقت عمل كمتر از100فيت مي باشد .
طرح وهندسه قرارگرفتن ماهواره ها هنگاميكه GPS نزديكي ساختمانهاي بلند، قلل كوهها ، دره هاي عميق ويا در وسايل نقليه قرارگرفته باشد به مساله مهمتري تبديـل مي گردد .اگر مانعي در رسيدن سيگنالهاي بعضي از ماهواره ها وجود داشته باشد GPS مي تواند از بقيه ماهواره ها بـــراي مكان يابي خود استفاده نمايد. هرچه اين موانع بيشتر و شديدتر شوند مكان يابي نيز مشكل تر مي گردد .
يك گيرنده GPS نه تنها ماهواره هاي قابل استفاده را تشخيص مي دهد بلكه مكان آنها را درآسمان نيز تعيين مي كند . ( ارتفاع و زاويه ) منبع ديگرايجاد خطا " چند مسيري " مي باشد ." چند مسيري" نتيجه انعكاس سيگنال راديويي به وسيله يك شي مي باشد . اين پديده باعث ايجاد تصاوير سايه دار در تلويزيونها مي گردد هر چند در آنتنهاي جديد اين شكل به وجود نمي آيد ، اين پديده در آنتنهاي رو تلويزيوني قديمي به وجود مي آمد.
بروز اين اختلال براي GPS ها به اين شكل است كه امواج بعد از انعكاس به وسيله اشياء ( مانند ساختمانها يا زمين ) به آنتن GPS برسند . در اين صورت سيگنال مسير بيشتري را تا رسيدن به آنتن GPS طي مي كند و اين باعث مي شود كه GPS فاصله ماهواره را بيشتر از آنچه هست محاسبه نمايد. كه باعث ايجاد خطا در مكان يابي نهايي مي گردد. در صورت بروز اين اختلال تقريباً 15 فيت بر خطاي نهايي افزوده مي شود .منبع ديگري نيز براي ايجاد خطا ممكن است وجود داشته باشند . افزايش تاخير ( delay ) به دليل اثرات جوي نيز مي تواند برروي دقت كار اثر بگذارد . همچنين خطاهاي ساعت داخلي GPS . در هر دو اين موارد گيرنده GPS طوري طراحي شده است كه اين اثرات را جبران نمايد . ولي خطاهاي كوچكي بر اساس همين اثرات همچنان بروز خواهند كرد .
در عمل ، دقت كار يك GPS غير نظامي معمولي ، با توجه به تعداد ماهواره هاي تبادلي و طرح قرار گرفتن آنها بين 60 تا 225 فيت مي باشد. GPS هاي پيچيده تر و گرانتر مي توانند با دقتهايي در حد سانتيمتر كاركنند . ولي دقت يك GPS معمولي نيزمي تواند به كـــمك پـــردازشي بـــه نـــام DGPS Differential GPS به حدود 14 فيت يا كمتر برسد .سرويسهاي DGPS با هزينه كمي قابل اشتراك مي باشند .
سيگنال تصحيحات DGPS توسط سازمان Army Corps Of Engineers و از ايستگاههاي مخصوص ارسال مي گردد . اين ايستگاهها در فركانس KHZ .325- 283.5 كار مي كنند تنها هزينه استفاده از اين سرويس خريدن يك دامنه از اين سيگنالها مي باشد . با اين كار يك گيرنده ديگر به GPS ما متصل مي شود ( از طريق يك كابل سه رشته اي ) و عمل تصحيح را طبق يك روش استاندارد به نام ( RTCM SC-104 ) انجام مي دهد . اشتراك سرويسهاي DGPS از طريق امواج راديويي FM نيز ممكن مي باشد .
GPS ها داراي كاربردهاي متنوعي در زمين ، دريا و هوا مي باشند ، اساساً GPS هر جايي قابل استفاده است مگر در نقاطي كه امكان وصول امواج ماهواره درآنها نباشد مانند داخل ساختمانها ، غارها ونقاط زيرزميني ديگر و يا زير دريا ، كاربردهاي هوايي GPS در رهيابي براي هوانوردي تجاري ميباشد . در دريا نيز ماهيگيران ، قايقهاي تجاري ، ودريا نوردان حرفه أي از GPS براي رهيابي استفاده مي كنند .
استفاده هاي زميني GPS بسيار گسترده تر مي باشد . مراكز علمي از GPS براي استفاده از قابليت و دقت زمان سنجي اش واطلاعات مكاني اش استفاده مي كنند . نقشه برداران از GPS براي توسعه منطقه كاري خود بــــهره مي گيرند . سايتهاي گرانقيمت نقشه برداري دقتهايي تا يك متر را فراهم مي آورند . GPS ها علاوه بر صرفه جويي دقتهاي بهتري را براي اين سايتها به ارمغان مي آورند . استفاده هاي تفريحي از GPS نيز به تعداد تمام ورزشهاي تفريحي متنوع است . به عـنوان مثال براي شكارچيان ، برف نوردان ، كوهنوردان وسياحان و…
در نهايت بايد گفت هركسي كه مي خواهد بداند كه دركجا قراردارد ، راهش به چه سمتي است ، ويا با چه سرعتي درحركت است مي تواند از يك GPS استفاده كند . در خودروها نيز وجود GPS به امري عادي بدل خواهد شد.سيستم هايي درحال تهيه است تا دركنار هر جاده اي با فشار دادن يك كليد موقعيت به يك مركز اورژانس انتقال يابد . ( بوسيله انتقال موقعيت فعلي به يك مركز توزيع ) سيستم هاي پيچيده ديگري موقعيت هر خودرو را دريك خيابان ترسيم مي كنند اين سيستمها به راننده بهترين مسير براي رسيدن به يك هدف خاص را پيشنهاد مي كنند.
هم اکنون از این تکنیک برای ردیابی اتوبوسهای مسافربری استفاده میشود. بدینصورت که در داخل هر اوبوس مسافربری یک ماژول جی پی اس وجود داشته و توسط Trace این ماژول بوسیله ماهواره نتایج بدست آمده پردازش شده و در دفتر شرکت اتوبوسرانی در روی کامپیوتر مسیر حرکت اتوبوس و محلی که در آن قرار دارد نمایش داده میشود. البته برای این برنامه شل نرم افزاری خاصی نوشته شده است که مسیر حرکت اتوبوس بصورت نقشه روی صفحه مونیتور موجود است و محلی که اتوبوس در آن لحظه در آن است توسط سیگنالهای ارسالی از ماژول به ماهواره و ماهواره به دفتر کنترل روی نقشه در صفحه مونیتور مشخص است . میزان خطا در ردیابی محل ماژول با دستگاههای پیشرفته امروزی فقط در حد سانتیمتر است .
در نمایشگاه الکترونیک امسال و همچنین نمایشگاه سال گذشته (در محل نمایشگاه بین المللی تهران) طرز کار این سیستم بصورت نمایشی (دمو) توسط چند شرکت که در این زمینه فعالیت دارند به نمایش گذاشته شده بود.
همانطور که گفتیمدستگاه GPS یک کامپیوتر کوچک است که جهت انجام امور خاصی برنامه ریزی شده است . بنابراین این کامپیوتر با داشتن مختصات شما می تواند کارهای دیگری هم انجام بدهد . مثلا می تواند زمان طلوع و غروب خورشید را در موقعیت شما بگوید . همچنین زمان طلوعو غروب ماه . شاید خیلی جالب باشد ولی GPS می تواند زمان باقیمانده برای رسیدن بهمقصد مورد نظر را با توجه به سرعت شما محاسبه کند . همچنین میانگین سرعت شما , بیشترین سرعت , میانگین سربالایی و سرازیری مسیر , سرعت عمودی , موقعیت منطقه ازنظر شکار و ماهیگیری و شکار در هر نقطه جهان , محاسبه مساحت یک نقطه ناشناخته و برگرداندن شما از مسیر آمده و ....
در ضمن نکته ای که در مورد GPS حائز اهمیت استاین است که شرایط آب و هوایی هیچ تاثیر بر روی کارکرد این وسیله ندارد.
دسته بندي دستگاههاي GPS :
بطور كلي يك GPS را ميتوان از يكي از سه گروه زير دانست :
GPS MOUSE : هيچ صفحه يا دكمه اي ندارد اما توسط يك PC Laptop يا نرم افزار مربوطه قابل استفاده سرويس GPSS ميباشد. دستگاههاي اين گروه مانند: Garmin GPS 35 و Delorme يا Rand Macnalley . قيمت اين GPS ها حدود 75 تا 150 دلار آمريكا متغير ميباشد. ولي فراموش نكنيد كه اين نوع GPS ها حتما" به PC Laptop نياز دارند.
Hand-Held GPS: اين نوع دستگاهها مي توانند بصورت سيار مورد استفادهقرار گيرند آنها خودشان يك صفحه كوچك جهت نمايش اطلاعات و چند دكمه دارند و در شكلها و تركيب هاي مختلفي عرضه ميشوند و هيچگونه نيازي بهLaptop ندارند. كه بطور مثالميتوان مدل با قيمت پائين Garmin شبيه Etrex, GPS12*l , GPS12 يا مدل هاي 315, 310از Magellan را نام برد. تعدادي از اينها يك رابط NMEA و يك كابل رابط دارند قيمتبا كابل ممكن است حدود 210 دلار به بالا باشد و ممكن است بعضي از كشورها ارزانتر همموجود باشد.
يك GPS دستي ارزان قيمت با يك كابل رابط براي انتخاب و آغاز كار با GPS مناسب ميباشد، حتيبراي سرگرمي يا كار يا آشنايي شما با طرز كار و خدمات GPS.
High-End GPS products: ايندستگاهها شامل يك صفحه نمايشگر بزرگتر و تعدادي نقشه ميباشند و در بعضي از آنها شمابايستي مبلغ بيشتري جهت نقشه ها بپردازيد. قيمت اين دستگاهها ممكن است بسته به نوعمحصول بالاتر از 1500 دلار آمريكا باشد كه نمونه هايي از آن مانندBlaupunkt PhihPs و Alpine ميباش
